大工18春《单片机原理及应用》大作业电子时钟设计

题目：基于51单片机的电子时钟设计
层次：高起专
专业：机械制造与自动化
年级： 2017年春季
学号：
学生姓名：
基于51单片机的电子时钟设计
摘要：本文介绍了基于51单片机的电子时钟的设计，从硬件和软件两个方面给出了具体实现过程。

该时钟的设计采用功能分块的思想方法，将硬件电路划分为开关电路，显示驱动电路和数码管电路等若干独立模块，而软件的实现则由闹钟的声音程序、时间显示程序、日期显示程序，秒表显示程序，时间调整程序、闹钟调整程序、定时调整程序，延时程序等组成。

文中给出了各个模块的电路图，并用Proteus的ISIS软件对电子时钟系统的各个功能进行了仿真，并给出了相应的仿真结果图像。

关键词：单片机；电子时钟；键盘控制
一，引言
1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表，从而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。

现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零。

从而达到计时的功能，是人民日常生活补课缺少的工具。

现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

二，时钟的基本原理分析
利用单片机定时器完成计时功能，定时器0计时中断程序每隔0.01s中断一次并当作一个计数，设定定时1秒的中断计数初值为100，每中断一次中断计数初值减1，当减到0时，则表示1s到了，秒变量加1，同理再判断是否1min钟到了，再判断是否1h到了。

为了将时间在LED数码管上显示，可采用静态显示法和动态显示法，由于静态显示法需要译码器，数据锁存器等较多硬件，可采用动态显示法实现LED显示，通过对每位数码管的依次扫描，使对应数码管亮，同时向该数码管送对应的字码，使其显示数字。

由于数码管扫描周期很短，由于人眼的视觉暂留效应，使数码管看起来总是亮的，从而实现了各种显示。

三，时钟设计分析
针对要实现的功能，采用AT89S51单片机进行设计，AT89S51 单片机是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB在线可编程（ISP）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS- 51指令系统及80C51引脚结构。

这样，既能做到经济合理又能实现预期的功能。

在程序方面，采用分块设计的方法，这样既减小了编程难度、使程序易于理解，又能便于添加各项功能。

程序可分为闹钟的声音程序、时间显示程序、日期显示程序，秒表显示程序，时间调整程序、闹钟调整程序、定时调整程序，延时程序等。

运用这种方法，关键在于各模块的兼容和配合，若各模块不匹配会出现意想不到的错误。

首先，在编程之前必须了解硬件结构尤其是各引脚的用法，以及内部寄存器、存储单元的用法，否则，编程无从下手，电路也无法设计。

这是前期准备工作。

第二部分是硬件部分：依据想要的功能分块设计设计，比如输入需要开关电路，输出需要显示驱动电路和数码管电路等。

第三部分是软件部分：先学习理解汇编语言的编程方法再根据设计的硬件电路进行分块的编程调试，最终完成程序设计。

第四部分是软件画图部分：设计好电路后进行画图，包括电路图和仿真图的绘制。

第五部分是软件仿真部分：软硬件设计好后将软件载入芯片中进行仿真，仿真无法完成时检查软件程序和硬件电路并进行修改直到仿真成功。

第六部分是硬件实现部分：连接电路并导入程序检查电路，若与设计的完全一样一般能实现想要的功能。

最后进行功能扩展，在已经正确的设计基础上，添加额外的功能！
四，时钟的实现
A.电路设计
1. 整体设计
此次设计主要是应用单片机来设计电子时钟，硬件部分主要分以下电路模块：显示电路用8个共阴数码管分别显示，星期（年份），小时、分钟（月份）和秒（日），通过动态扫描进行显示，从而避免了译码器的使用，同时节约了I/0端口，使电路更加简单。

单片机采用AT89S51系列，这种单
片机应用简单，适合电子钟设计。

电路的总体设计框架如下：
2. 分块设计
模块电路主要分为：输入部分、输出部分、复位和晶振电路。

2.1 输入部分
输入信号主要是各种模式选择和调整信号，由按键开关提供。

以下为输入部分样例：
在本实验中主要用用P3口输入按键信号，还用到了特殊的P0口。

对于P0口，由于其存在高阻状态，为了实现开关功能，给其添加上拉电阻，具体如下图所示：
单片机
输入部分
晶振和复位
输出部分
2.2 输出部分
本电路的输出信号为7段数码管的位选和段选信号，闹铃脉冲信号，提示灯信号。

本实验的数码管是共阴的，为了防止段选信号不能驱动数码管，故在P1口连接上拉电阻后，再送段选信号，以提高驱动，位选信号直接从P2口接入，如下图：
闹铃由P2.6端输出，模块如下：
2.3 晶振与复位电路
本实验单片机时钟用内部时钟，模块如下：
复位电路为手动复位构成，模块如下：
各模块拼接组合，电路总体设计图如下
：
B.程序设计
B.1 程序总体设计
本实验用汇编程序完成. 程序总的流程图如下：
B.2 程序主要模块
B.2.1 延时模块
数码管显示动态扫描时，用到延时程序，这里使用延迟1ms的程序，此程序需反复调,除数码管动态扫描外，数码管的闪烁提示，以及音乐模块也用到了延时，只是延时的长短不同罢了，在此不再赘述。

B.2.2中断服务程序
本实验中，计数器T0,T1中断都有运用，其中T0中断为时钟定时所用，T1中断用于音乐播放。

T0的定时长度为0.01s,工作于方式1，计数1次，时长1us，故计数器计数10000次，进入中断，计数初值为65536-10000=55536=#0D8F0，装满定时器需要0.01s的时间，从而100次中断为一秒，一秒之后，判断是否到60秒，若不到则秒加一，然后返回，若到，则秒赋值为0，分加一，依次类推。

包括日期显示的功能也是如此。

另外，由于要实现倒计时功能，因此在中断程序中还要加入减一的寄存器，需要时将其进行显示。

基于以上考虑，以R3为倒计时中的秒，R4为倒计时的分，当秒加1时R3减一，减到0之后，秒赋值为59，分减一，直到分为0。

计数器T1工作于方式1，当调用响铃程序时，其计数功能开启，为音乐音调不同频率的方波的形成，提供延时。

其中断服务程序就是根据音调改变音乐方波输出口电平的高低，用语句 CPL 实现。

中断服务程序中日历的实现较为复杂，要考虑平年，闰年，特殊的2月，每月的天数的不尽相
同。

具体的逻辑判断方法为：首先，要考虑年份是不是闰年，闰年的判断方法是：将年份除以100，若能整除，则将年份除以400，若还能整除，则为闰年，若不能，则为平年；若不能被100整除，则判断是否能被4整除，若能，则为闰年，若不能则为平年。

只有2月与平、闰年相关，因此在闰年和平年的子程序中，要判断是不是2月，若是则在相应的年中进行日期的增加，若不是则转入平时的月份。

其中1、3、5、7、8、10、12月是每月31天，4、6、9、11月为每月30天。

日历进位判断流程图如下：
本实验用8个数码管，刚好能显示年，月，日，扫描显示与时间的扫描显示类似。

年比较特殊，由两个寄存器存储，个位，十位为0时，表明年数能被100整除，若此时千位，百位
组成两位数能被4整除，则年数被400整除，为闰年。

若十位，个位组成两位数能被4整除，则年数能被4整除，为闰年。

B.2.3主程序
主程序主要对按键进行扫描，以及判断定时和闹铃时间是否已到，若到则调用相关程序。

B.2.4 显示子程序
8个数码管轮流进行显示，分别显示1ms，依赖人的视觉暂留效应，给人以数码管持续高亮的错觉。

日期的显示，秒表的显示，倒计时的显示，调闹铃，调定时的显示，闪烁的显示程序与以上的的扫描相似，有的以子程序的方式出现，通过子程序调用语句ACALL调用；有点直接嵌套在相应的程序里面，顺序执行，或者用调转语句AJMP调用。

C 程序调试及仿真
本程序通过Keil单片机开发平台实现程序的编译，链接，生成HEX文件。

通过Keil和硬件仿真平台Proteus的联合，可以将设计效果仿真出来，根据效果，有目的的改变设计，优化程序。

利用Proteus仿真实验过程截图：
普通时间显示模式仿真图，表示：星期一 9点10分38秒
五，总结
本文先从整体论述了设计电子钟的大致思路，然后再采用划分模块的方法，将硬件电路划分为开关电路，显示驱动电路，以及数码管电路等，而软件部分，则依据要实现的功能，划分为：闹钟的声音程序，时间显示程序，日期显示程序，秒表显示程序，时间调整程序、闹钟调整程序、定时调整程序，延时程序等。

最后将各模块集成为一个整体,合成一个多功能的电子钟。